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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Adsorberelement für einen Wärmetauscher, das als zentralen
Bestandteil einen offenporigen wärmeleitenden
Festkörper,
in dessen Poren ein Sorptionsmaterial für ein dampfförmiges Adsorptiv
angeordnet ist, enthält.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Adsorptionswärmepumpe oder
Adsorptions-Kältemaschine,
die mindestens ein derartiges Adsorberelement enthält.
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Stand der Technik
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Bei
vielen technischen Adsorptionsprozessen spielt die Leistung, mit
der die entstehende Adsorptionswärme über einen
Wärmetauscher
abgeführt
werden kann, eine wichtige Rolle. Analog gilt dies für die Wärmeübertragungsleistung
beim Beheizen des Adsorbens über
einen Wärmetauscher
zur Desorption/Regenerierung des Adsorbens (im Folgenden üblicherweise
Sorptionsmaterial genannt). Von zentraler Bedeutung sind diese Leistungskenngrößen für Adsorptionswärmepumpen
und -Kältemaschinen
sowie verwandte Anwendungen der Adsorption in der Energie- und Klimatisierungstechnik.
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Für Adsorptionswärmepumpen
und -Kältemaschinen
arbeiten derzeit verschiedene Firmen intensiv an Konzepten zur Erhöhung der
auf das Bauvolumen bezogenen Leistungsdichte, z.B. die Firmen Vaillant,
UOP, Mitsubishi und SorTech.
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Physikalisch
handelt es sich hierbei um das Problem der Optimierung des Wärme- und
Stofftransports in der Wärmepumpe.
In einem mikroporösen
Feststoff (Adsorbens/Sorptionsmaterial, z.B. ein Zeolith oder ein
Kieselgel) wird der Dampf des Arbeitsmittels (Adsorptiv, z.B. Wasser,
Methanol oder Ammoniak) angelagert (adsorbiert), wobei Wärme freigesetzt
wird.
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Für ein verbessertes
Adsorberelement ist also eine gute thermische Anbindung des mikroporösen Adsorbens/Sorptionsmaterials
(z.B. eines Zeoliths) an eine Wärmeaustauscherfläche bzw.
an ein auf der anderen Seite dieser Grenzfläche strömendes Wärmeträgerfluid erforderlich.
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In
der
DE 101 19 258
A1 wird ein Adsorberaufbau beschrieben, bei dem das Adsorbens
in Form von Granalien einlagig auf die Rippen eines Rippenrohres
aufgelegt wird. Ein besserer Wärmekontakt des
Sorptionsmaterials zum Wärmetauscher
lässt sich
mit einem Aufbau nach der
US
6,102,107 erzielen. Hierbei ist der Adsorber als Lamellenwärmetauscher
aufgebaut, also als Bündel
paralleler Platten, die durch ein Rohrbündel senkrecht durchstoßen werden.
Das Wärmeträgerfluid
strömt
in den Rohren und das Sorptionsmaterial ist als Schicht beidseitig auf
den Platten aufgebracht. Das Sorptionsmaterial ist hierbei in eine
Polymerfolie eingebunden. Bei einem derartigen Aufbau des Adsorbers
lässt sich
eine so gute thermische Anbindung des Sorptionsmaterials an die
Wärmetauscheroberfläche erzielen,
dass der Wärmeübergang
auf das Wärmeträgerfluid
im Wärmetauscher
zum limitierenden Faktor für
die erreichbare Leistungsdichte der Wärmepumpe wird.
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Durch
einen derartigen Adsorberaufbau werden jedoch noch nicht die Leistungsdichten
erreicht, die für
bestimmte Anwendungen gefordert werden (z.B. für die PkW-Klimatisierung).
Um die Leistungsdichte von Adsorptionswärmepumpen weiter zu steigern
und zugleich eine hohe Effizienz (COP, Arbeitszahl) zu ermöglichen,
sind daher neuartige Konzepte für
den Aufbau des Adsorbers erforderlich.
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Zur
Vollständigkeit
sei angefügt,
dass unter dem (thermischen) COP (Coefficient of Performance) für eine Kältemaschine
das Verhältnis
aus gewonnener Nutzkälte
und hierfür
benötigter
Antriebswärme verstanden
wird; für
eine Wärmepumpe
ist der COP als Verhältnis
der Nutzwärme
(auf dem mittleren Temperaturniveau) zur Antriebswärme (auf
hohem Temperaturniveau) definiert. Für praktische Anwendung ist
zusätzlich
eine Betrachtung des gesamten Energieaufwandes einschließlich der
elektrischen Verbräuche
von Pumpen etc. erforderlich.
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Ein
zu den oben genannten Problemen hinzutretendes Problem ist die Begrenzung
der Adsorptionsgeschwindigkeit durch den Transport des gasförmigen und/oder
dampfförmigen
Adsorptivs zu den Mikro- oder Mesoporen des festen Sorptionsmaterials,
wo die Adsorptionswärme
freigesetzt wird. Dieses Problem tritt insbesondere bei Adsorptiven
mit niedrigem Dampfdruck auf, wie z.B. Wasser oder Methanol. Insbesondere
bei dicken Schichten des Sorptionsmaterials entsteht – je nach
Aufbau der Schicht – eine
hohe Diffusionsbarriere für
das adsorbierende Gas.
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Nach
der
WO 02/45847 besteht
ein Lösungsansatz
darin, eine ausreichende Dampfdurchlässigkeit der Sorptionsmaterial-Schicht
durch die Einbindung der Sorptionsmaterial-Mikropartikel in eine
gut wärmeleitende
und dampfdurchlässige
Polymermatrix zu erreichen.
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Ein
weiterer Lösungsansatz
wird – zumindest
für zeolithische
Sorptionsmaterialien – in
L. G. Gordeeva et al. „Preparation
of Zeolite Lagers with enhanced Mass Transfer Properties for Adsorption Air
Conditioning" in
Proc. of the Int. Sorption Heat Pump Conf. ISHPC, Shanghai, China,
Sept. 24-27, 2002, beschrieben. Hier wird bei der Synthese der Sorptionsmaterial-Schicht
einen geeigneter Porenbildner zugesetzt, der später ausgebrannt oder ausgewaschen
wird, um zusätzliche
Kanäle
für den Dampftransport
zu schaffen.
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Die
DE 103 09 009 A1 beschreibt
keramische Schäume
oder zellulare Keramiken, die teilweise oder vollständig mit
Zeolith beschichtet sind und die z.B. in Wärmepumpen Verwendung finden
können.
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Die
DE 101 59 652 C2 beschreibt
einen Wärmeübertrager,
der eine Adsorbereinheit und eine schaumstoffartige das Sorptionsmaterial
beinhaltende Matrix aufweist, die von einer äußeren Adsorberwandung umgegeben
ist. Die Adsorberwandung, die mit der Matrix eine unlösbare stoffliche
Einheit bildet, kann auch eine Folie oder ein Blech sein wird vom Wärmeträgerfluid
umströmt.
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Beschreibung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile
des Standes der Technik zu überwinden
und ein Adsorberelement anzugeben, bei dem die bei der Adsorption
frei werdende Wärme effizient
abgeführt
werden kann und die bei der Desorption erforderliche Wärme problemlos
zugeführt werden
kann. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer Wärmepumpe oder
Kältemaschine,
die mehrere erfindungsgemäße Adsorberelemente
in einer Anordnung enthält,
die ebenfalls eine effiziente Abführung oder Zuführung von
Wärme und
zudem eine effiziente Wärmerückgewinnung
zwischen mehreren gleich oder ähnlich
aufgebauten Adsorbern ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Adsorberelement gemäß Anspruch 1 und eine Adsorptions-Wärmepumpe
oder Adsorptions-Kältemaschine
nach Anspruch 26 gelöst.
Unteransprüche
lehren vorteilhafte Weiterbildungen.
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass eine bessere Abführung
bzw. Zuführung
von Wärme
möglich
ist, wenn das Adsorberelement auf einem offenporigen wärmeleitenden
Festkörper
basiert, auf dessen Grenzfläche
zum Wärmeträgerfluid
ein fluiddichtes wärmeleitendes
Element angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Adsorberelement umfasst
somit einen offenporigen wärmeleitenden
Festkörper,
auf dessen innerer Oberfläche
ein Sorptionsmaterial für ein
dampfförmiges
Adsorptiv angeordnet ist, und auf dessen Außenfläche zumindest in den Bereichen,
in denen ein Kontakt mit einem Wärmeträgerfluid
vorgesehen ist oder erfolgt, ein fluiddichtes wärmeleitendes flächiges Element
angeordnet ist. Dabei ist das Adsorberelement derart ausgebildet,
dass der Wärmeaustausch
zwischen offenporigen Festkörper
und Wärmeträgerfluid über das
fluiddichte Element erfolgen kann und bevorzugt ausschließlich oder
zumindest im Wesentlichen über
dieses fluiddichte Element erfolgt.
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Unter
einem offenporigen Festkörper
wird erfindungsgemäß jeglicher
Werkstoff verstanden, der gewährleistet,
dass das erfindungsgemäß eingesetzte
dampfförmige
Adsorptiv (insbesondere Wasser und/oder Methanol oder gegebenenfalls
auch Ammoniak) den Festkörper
durchströmen
kann. Dieser offenporige Festkörper
sollte bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit
größer 2 W
m-1 K-1, besonders
bevorzugt größer 6 W
m-1 K-1 aufweisen.
Ganz besonders bevorzugt sollte der offenporige Festkörper eine
Porosität > 70% und dabei gleichzeitig
eine Wärmeleitfähigkeit
größer 8 W
m-1 K-1 besitzen.
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Unter
einem fluiddichten wärmeleitenden
flächigen
Element wird erfindungsgemäß ein Gebilde verstanden,
das gewährleistet,
dass das Wärmeträgerfluid
nicht in das Innere des offenporigen Festkörpers dringen kann. Dieses
fluiddichte wärmeleitende flächige Element
(im Folgenden auch "fluiddichtes Element" genannt) sollte
auch einen effizienten Wärmeaustausch
von offenporigem Festkörper
auf das Wärmeträgerfluid
gewährleisten. Üblicherweise
wird daher das fluiddichte Element flächig mit dem offenporigen Festkörper verbunden
sein, wobei eine stoffschlüssige
Verbindung nicht notwendig ist. Das flächige Element kann auch – muss aber
nicht – ein
Teil der Oberfläche
des offenporösen
Festkörpers
sein. Bevorzugt sollte das flächige
Element flexibel sein, so dass es sich beim Anlegen von Unterdruck
an die Porenstruktur des offenporigen Festkörpers an die Oberfläche dieses
Festkörpers
schmiegt, so dass bevorzugt Poren mit einem Durchmesser größer 0,5 mm
einen flächigen
Kontakt zwischen der Porenoberfläche
des Festkörpers
(genauer gesagt den Stegen, die sich zwischen benachbarten Poren
bilden) und dem fluiddichten Element aufweisen.
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Das
erfindungsgemäße Adsorberelement
ist weiterhin dergestalt ausgebildet, dass das fluiddichte Element
auf der Außenfläche des
offenporigen Festkörpers
angeordnet ist, dass also das Wärmeträgerfluid
den offenporigen Festkörper
nur an dessen äußerer Oberfläche umströmt und nicht
oder nur in sehr geringem Ausmaß den
Festkörper
in Form von röhrenartigen
oder kanalartigen Gebilden durchströmen kann. Im Regelfall hat
das auf dem offenporösen Festkörper angeordnete
fluiddichte Element also eine einfach geschlossene Oberfläche, d.h.
jede geschlossene Kurve auf dessen Oberfläche lässt sich zu einem Punkt zusammenziehen.
In Einzelfällen können aber
auch wenige röhrenförmige oder
kanalartige Gebilde sinnvoll sein, durch die das Wärmeträgerfluid
den offenporigen Festkörper
durchströmen kann;
die Adsorberelemente werden auch dann derart ausgebildet sein, dass
das fluiddichte Element, mit dem ein Eindringen des Wärmeträgerfluids
in den offenporigen Festkörper
unterbunden werden soll, im Wesentlichen oder vollständig auf
der Außenfläche des
offenporösen
Festkörpers
angeordnet ist; die vom fluiddichten Element bedeckte Oberfläche der röhren- oder
kanalartigen Gebilde kann beispielsweise durch ein Gussverfahren
erzeugt werden.
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Erfindungsgemäß wurde
weiterhin erkannt, dass durch Verwendung von offenporigen Festkörpern eine
gegenüber
dem Stand der Technik verbesserte Kombination von Leistungsdichte
und Wirkungsgrad (COP) erreicht werden kann. Sollte gegenüber dem
Stand der Technik einer dieser beiden Parameter verschlechtert sein,
so wird dieser Effekt durch eine Erhöhung des anderen Parameters
stets überkompensiert.
Häufig
sind allerdings beide Parameter gegenüber dem Stand der Technik erhöht. Der Anteil
sensibler Wärme
kann gegenüber
den gängigerweise
nach dem Stand der Technik vorgeschlagenen Lösungen verringert werden. Der
erfindungsgemäße offenporöse Festkörper hat
beispielsweise gegenüber
Lamellenwärmetauschern
nach dem Stand der Technik eine mindestens zweifach höhere (üblicherweise
sogar fünffach
höhere)
spezifische Oberfläche,
wodurch dünnere
Adsorbens-Schichten und kürzere
thermische Weglängen
möglich
werden. Dadurch wird der Nachteil einer etwaigen höheren thermischen
Masse überkompensiert.
(Die thermischen Weglängen
sind erfindungsgemäß gegenüber denen bei
einem Lamellenwärmetauscher
vor allem auch deshalb kürzer,
weil beim Lamellenwärmetauscher die
Wärme an
Rohre abgegeben werden muss, die man nicht beliebig dicht legen
kann und die einzeln miteinander verschaltet werden müssen. Die
erfindungsgemäß eingesetzten
fluiddichten Elemente, insbesondere die fluiddichten Folien, erlauben
dagegen eine viel größere spezifische
Kontaktfläche
zum Wärmeträgerfluid.)
Aufgrund einer hohen Wärmeleitfähigkeit
des erfindungsgemäßen Adsorberelements ist
ein schneller Wärmetransport
möglich;
außerdem ist
eine sehr enge Ankopplung des Adsorbers an ein Wärmeträgerfluid in einem externen
hydraulischen Kreis realisierbar, das mit möglichst geringem Fremdenergieaufwand
zirkuliert werden soll.
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Der
verbesserte COP ist bei der vorliegenden Erfindung einerseits auf
eine verbesserte Wärmerückgewinnung
(insbesondere bei Verwendung der Adsorberelemente in einem Adsorberelementstapel,
der eine hydraulisch serielle Verschaltung der Adsorberelemente
ermöglicht),
andererseits auf ein verbessertes Verhältnis von Masse des Sorptionsmaterials
zu Wärmetauschermasse
zurückzuführen. Nach
dem Stand der Technik (z.B.
WO
02/45847 ) wurde versucht, dieses Massenverhältnis durch möglichst
dicke Schichten von Sorptionsmaterial einzustellen; hierdurch ergibt
sich allerdings – je
nach Aufbau der Schicht – eine
hohe Diffusionsbarriere für das
zu adsorbierende Gas sowie häufig
auch ein Stabilitätsproblem
der Schicht bzw. des Verbundes aus Sorptionsmaterial und Wärmeaustauscher
(einerseits wegen des Überdrucks,
der sich infolge von Diffusionsbarrieren bei der Desorption in der
untersten Lage der Schicht aufbaut, andererseits wegen der unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Sorptionsmaterial und Wärmetauscher und
der schnellen thermischen Zyklierung dieses Verbundes). Eine verbesserte
Wärmerückgewinnung kann
mit den erfindungsgemäßen Adsorberelementen
insbesondere bei Anordnung der einzelnen Adsorberelemente zu Adsorberelmentstapeln
mit einer hydraulisch seriellen Verschaltung der Adsorberelemente
realisiert werden.
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Erfindungsgemäß wurde
ferner erkannt, dass bei dem erfindungsgemäßen Adsorberelement das Sorptionsmaterial
in einer gut wärmeleitenden und
mechanisch stabilen Matrix enthalten ist, die durch das fluiddichte
Element zusätzlich
stabilisiert wird. Bei derartigen Adsorberelementen, die im Vergleich
zum Volumen eine große
Oberfläche
(insbesondere bezogen auf die innere Oberfläche) aufweisen, kann (aufgrund
der porösen
Festkörperstruktur und
der gegenüber
einem Rohrbündel
viel größeren Kontaktfläche zum
Wärmeträgerfluid)
ein höherer Gesamt-Wärmeübertragungswert
auf das Wärmeträgerfluid
(bzw. eine kürzere "thermische Weglänge")realisiert werden.
Werden die Adsorberelemente vollflächig mit dem Wärmeträgerfluid
umströmt,
ergibt sich eine effiziente Wärmeabgabe
und -aufnahme der Adsorberelemente bei sehr geringem Druckverlust
im hydraulischen Kreis des Wärmeträgerfluids.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird als fluiddichtes Element
zumindest teilweise eine Folie eingesetzt. Bevorzugt wird diese
Folie so gewählt, dass
sie mittels eines Vakuumverpackungsverfahrens auf den offenporigen
Festkörper
aufbringbar ist. In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform
wird die Folie (die z.B. eine Kupferfolie sein kann) so gewählt, dass
sie auf dem offenporigen Festkörper
aufgebracht werden kann, indem sie (z.B. in einer Kavität) so angeordnet
wird, dass sie zumindest teilweise der äußeren Form des Festkörpers entspricht,
indem auf der so angeordneten Folie der offenporöse Festkörper oder eine Vorstufe hiervon
(z.B. lose oder schon teilweise versinterte Metallfasern, insbesondere
auch Fasern, die Kupfer enthalten) angeordnet werden und anschließend die
Folie und der offenporöse
Festkörper
bzw. die Vorstufe hiervon stoffschlüssig miteinander verbunden
werden (z.B. mittels eines Sinterverfahrens), so dass spätestens durch
dieses Verbinden der offenporöse
Festkörper entsteht.
Die Folie kann nachfolgend (sobald auch das Sorptionsmaterial enthalten
ist) versiegelt werden.
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Wird
erfindungsgemäß eine fluiddichte
Folie als fluiddichtes Element verwendet, so hat dies den Vorteil,
dass das fluiddichte Element einfach auf den offenporigen Festkörper aufgebracht
werden kann, und auch während
des Betriebs des Wärmetauschers
ohne zusätzliche
Hilfsmittel auf der Oberfläche
des offenporösen
Festkörpers
verbleibt, sofern auf Adsorbensseite ein Unterdruck (bezogen auf
die Fluidseite) vorhanden ist (wie beispielsweise bei Wärmetauschern,
die mit dampfförmigem
Wasser oder Methanol als Adsorptiv arbeiten) oder auf Fluidseite
ein Überdruck
(bezogen auf die Adsorbensseite) vorliegt. Ein derartiges Adsorberelement
hat auch den Vorteil, dass die Folie leicht entfernbar und austauschbar
ist (z.B. bei Materialermüdung
einer Komponente des Wärmetauschers
oder bei Recycling des Wärmetauschers).
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Weiterhin
bevorzugt ist ein Adsorberelement, bei dem diese fluiddichte Folie
mit dem offenporigen Festkörper
formschlüssig
oder stoffschlüssig verbunden
ist. Als Folien sind insbesondere Materialien geeignet, die vakuumdicht
sind. Weiterhin sollten diese Folien in dem für die Anwendung vorgesehenen
Temperaturbereich (insbesondere über
100 °C, bevorzugt
auch über
120 °C)
stabil sein.
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Erfindungsgemäß wird unter
einer fluiddichten Folie auch ein fluiddichtter Folienverbund verstanden.
Liegt ein Folienverbund vor, so sollte die Temperaturstabilität (insbesondere
bei über
100 °C, bevorzugt
auch über
120 °C)
jeder einzelnen Schicht des Folienverbunds gegeben sein. In einer
bevorzugten Ausführungsform
weist dieser Folienverbund mindestens eine Metallschicht oder eine
Schicht aus einem Material, das in senkrechter Orientierung zur Schicht
wärmeleitend
ist (insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit
von mindestens 20 W m-1 K-1), und
mindestens eine weitere Schicht auf, die eine Trägerschicht oder eine Siegelschicht
ist. Besonders bevorzugt weist der Folienverbund mindestens eine Metallschicht,
mindestens eine Siegelschicht und mindestens eine Trägerschicht
auf. Häufig
ist auf einer Seite der Metallschicht dann eine Siegelschicht und
auf der anderen Seite eine Trägerschicht
angeordnet. Die Schichten sind üblicherweise
miteinander mittels eines geeigneten Kaschierklebstoffs oder Bindemittels
verbunden.
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Die
Metallschicht ist bevorzugt eine Schicht, die aus Aluminium und/oder
Kupfer besteht oder Aluminium und/oder Kupfer enthält. Die
Metallschicht oder die Schicht aus dem in senkrechter Orientierung zur
Schicht wärmeleitenden
Material (das z.B. ein wärmeleitendes
Polymer, das z.B. Metallpartikel oder Kohlenstoff, z.B. in Form
von Nanotubes, enthalten kann) gewährleistet insbesondere, dass
Vakuumdichtigkeit gegeben ist. Bevorzugt ist die Metallschicht so
dick, dass eine Wärmeleitfähigkeit
der Folie (bzw. des Folienverbunds) in bezogen auf die Schichten
senkrechter Richtung gegeben ist (bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit
von mindestens 2 W m-1 K-1);
hierfür
muss die Dicke der Folie zumindest im μm-Bereich liegen und insbesondere
größer als
1 μm sein.
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Die
Siegelschicht ist erforderlich, um – nach Einhüllung des erfindungsgemäßen Adsorberelements
mit der Folie – ein
Verbinden (insbesondere Verschweißen oder Verkleben) der Folienenden
zu ermöglichen,
so dass Vakuumdichtigkeit gegeben ist. Es ist allerdings auch möglich, auf
die Siegelschicht zu verzichten und das Verbinden der Folienenden mittels
eines Sinterverfahrens zu erreichen. Das Verschweißen der
Folienenden kann mittels herkömmlicher
Folienschweißverfahren
erfolgen, z.B. thermisch (hierfür
sind insbesondere Siegelschichten aus Polyethylen oder Polypropylen
geeignet) oder mittels Ultraschall oder Mikrowellen. Üblicherweise wird
die Siegelschicht auf der dem Adsorberelement zugewandten Seite
des Folienverbunds als äußerste Schicht
oder auf beiden Seiten des Folienverbunds als äußerste Schicht angeordnet sein.
Dies hat den Vorteil, dass ein problemloses Verbinden der Folienenden
möglich
ist. In diesem Fall sollte die Trägerschicht nicht aus einem
Material bestehen, das durch Kontakt mit dem Adsorptiv (insbesondere
falls Methanol als Adsorptiv eingesetzt wird) quellen kann, oder
das zulässt,
dass durch eindiffundierendes Adsorptiv der Kaschierkleber zwischen
den Schichten des Folienverbunds gelöst oder angelöst wird.
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Die
Trägerschicht
hat die Funktion, den Folienverbund zu stabilisieren. Insbesondere
soll sie die Reißfestigkeit
des Folienverbunds gewährleisten
und dessen mechanische Stabilität
erhöhen
(d.h. insbesondere einen Schutz gegen Beschädigungen und Verletzungen darstellen).
Die Trägerschicht
besteht bevorzugt aus Polyamid, Polyethylenterephthalat oder einem
fluorhaltigen Polymer oder enthält
eines dieser Materialien. Besonders bevorzugt wird das Material
der Trägerschicht
derart ausgewählt,
dass die Trägerschicht
zur Vakuumdichtigkeit der Folie beiträgt. Weiterhin bevorzugt enthält die Trägerschicht
Additive, die die Wärmeleitfähigkeit
der Trägerschicht
erhöhen
(z.B. Kohlenstoff). Häufig
wird die Trägerschicht
auf der vom Adsorberelement abgewandten Seite der Folie angeordnet
sein; insbesondere als äußerste Schicht
oder unter einer äußersten Siegelschicht
angeordnete Schicht. In diesem Fall sollte die Trägerschicht
nicht aus einem Material bestehen, das durch Kontakt mit dem Wärmeträgerfluid quellen
kann, oder das zulässt,
dass durch das Wärmeträgerfluid
der Kaschierkleber zwischen den Schichten des Folienverbunds gelöst oder
angelöst wird.
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Als
Vakuumverpackungsverfahren zum Aufbringen der fluiddichten Folie
auf den offenporösen Festkörper sind
prinzipiell alle auf dem Markt verfügbaren Verfahren (z.B. Lebensmittelverpackungsverfahren)
denkbar.
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Ist
die fluiddichte Folie mit dem offenporösen Festkörper stoffschlüssig verbunden,
so ist beispielsweise denkbar, dass die stoffschlüssige Verbindung mittels
eines Binders erreicht wird (bevorzugt wird hier ein Binder gewählt, der
eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweist, z.B. also ein Binder, der fein verteilte Metallpartikel,
Kohlenstoff oder andere Partikel, die eine hinreichende Wärmeleitfähigkeit
gewährleisten, enthält) oder
dass die Folie auf den offenporigen Festkörper aufgesintert wurde (als
Beispiel ist hier das Aufsintern einer Kupferfolie auf einen offenporigen
Festkörper
auf Basis von metallischen oder metallhaltigen Fasern zu nennen).
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Eine
stoffschlüssig
mit dem offenporigen Festkörper
verbundene Folie hat den Vorteil, dass sie bei jeglichen Druckverhältnissen
eine an den offenporösen
Festkörper
angeschmiegte Form beibehält.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Oberfläche des
fluiddichten Elements so strukturiert, dass sich im daran vorbeiströmenden Wärmeträgerfluid
eine turbulente Strömung
ausbilden kann. Die Begünstigung
von Turbulenz durch eine raue Oberfläche wird in der Strömungsmechanik
z.B. durch die Sandkornrauhigkeit beschrieben. Ein derartiges Adsorberelement
hat den Vorteil, dass ein besserer Wärmeaustausch mit dem Wärmeträgerfluid
möglich
ist. Erfindungsgemäß sind insbesondere Adsorberelemente
geeignet, bei denen sich das fluiddichte Element der Oberflächenrauhigkeit
des offenporigen Festkörpers
anpasst (bzw. die gleiche oder eine nur geringfügig unterschiedliche Oberflächenrauhigkeit
besitzt) und somit eine Oberflächenstruktur
aufweist, die eine turbulente Strömung im daran vorbeiströmenden Wärmeträgerfluid
begünstigt.
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Da
zugleich die Wärmeübertragung
maximiert und der Druckverlust im Hydraulikkreis des Wärmeträgerfluids
minimiert werden soll, besteht ein Optimierungsproblem. Die zur
Lösung
dieses Problems gemäß dem Stand
der Technik zur Verfügung stehenden
Berechnungsmethoden sind z.B. im VDI-Wärmeatlas (Springer-Verlag,
Berlin, ISBN 3540255036, 10. Auflage, Januar 2006) zu finden.
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Die
Oberfläche
des fluiddichten Elements kann auch so ausgeführt sein, dass "dellenartige" und/oder rillenartige
und/oder schlitzförmige
Vertiefungen vorhanden sind. Rillenartige Vertiefungen können beispielsweise
auch Kanten des Adsorberelements (insbesondere bei quaderförmigen Adsorberelementen)
queren, d.h. über
zwei oder mehr Flächen
verlaufen, die sich in unterschiedlichen Raumrichtungen ausdehnen.
Diese dellenförmigen
oder rillenförmigen
Vertiefungen können
bereits auf der Oberfläche
des offenporösen
Festkörpers
vorhanden sein (bzw. kann der offenporöse Festkörper gezielt so hergestellt
werden, dass sich diese bilden), sie können aber auch ausschließlich oder
zusätzlich
auf der Oberfläche
des fluiddichten Elements vorhanden sein.
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Ein
Vorteil dellenförmiger
Vertiefungen ist die Ausbildung turbulenter Strömungen und damit ein verbesserter
Wärmeaustausch
mit dem Wärmeträgerfluid.
Ein Vorteil rillenförmiger
Vertiefungen ist, dass hiermit die Fluidmenge bezogen auf die aufzunehmende
Wärme,
minimiert werden kann. D.h. das Verhältnis zwischen der Oberfläche des
Festkörpers, der
das Sorptionsmaterial enthält
und dem Volumen des Wärmeträgerfluids kann
erhöht
werden, und der COP steigt. Eine Minimierung der Fluidmenge kann dadurch
erreicht werden, dass das Adsorberelement in einer Wärmepumpe
bzw. Kältemaschine
so angeordnet wird, dass das Wärmeträgerfluid
an der Oberfläche
des Adsorberelement so vorbeiströmt,
dass es im Wesentlichen oder ausschließlich durch die rillenförmigen Vertiefungen
strömt.
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Schlitzförmige Vertiefungen
haben den Vorteil, dass – sofern
sich das fluiddichte Element (bevorzugt die fluiddichte Folie) an
deren Oberfläche
anschmiegt – die
Wärmeaustauschfläche gegenüber dem
Wärmeträgerfluid
vergrößert wird
und zugleich die Umströmung
der Adsorberelemente besser gesteuert werden kann. Beim Wärmeträgerfluid
selbst kann gleichzeitig bei geringem Druckverlust ein sehr guter
Wärmeübergang
erreicht werden. Die schlitzförmigen
Vertiefungen können
auch zumindest teilweise in dem Bereich, in dem sie auf die äußere Oberfläche des
Adsorberelements treffen in dellenartige Vertiefungen münden. Diese
haben weiterhin den Vorteil, dass bei geeigneter Ausbildung der Schlitzstrukturen
die mittlere thermische Weglänge (zwischen
Sorptionsmaterial und fluiddichtem Element) verringert werden kann.
Bevorzugt weisen die schlitzförmigen
Vertiefungen eine Schlitzbreite von 0,1 bis 3 mm auf.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Oberfläche des
fluiddichten Elements des Adsorberelements so strukturiert, dass
sie im Zusammenhang mit einer Zweiphasenströmung des Wärmeträgerfluids genutzt werden kann,
wie sie aus der Technik der "Heat-Pipes" bekannt ist (vgl.
hierzu z.B. G. P. Peterson, „An
Introduction to Heat Pipes – Modeling,
Testing and Applications",
John Wiley & Sons, 1994).
Insbesondere kann die Oberfläche
des fluiddichten Elements (bevorzugt der fluiddichten Folie) mit
feinen Rillen strukturiert sein. Derartige Rillen können beispielsweise
mittels eines Folienziehverfahrens aufgebracht werden. Wird eine
Folienverbund eingesetzt, so ist es z.B. möglich, die Trägerschicht
(vor dem Aufbringen weiterer Schichten) zu strukturieren oder eine
separate Strukturierungsschicht aufzubringen, die die Strukturierung
bereits aufweist oder die bereits im Folienverbund enthaltene noch
nicht strukturierte Strukturierungsschicht (zusammen mit dem Folienverbund)
einem Oberflächenstrukturierungsverfahren
zu unterwerfen (z.B. indem mittels einer Strukturwalze die Strukturierung aufgeprägt wird).
Bevorzugt wird die Oberfläche
des fluiddichten Elements derart ausgeführt, dass die Rillen im Wesentlichen
parallel verlaufen und so angeordnet sind, dass sie bei Verwendung
in einem Wärmetauscher
oder einer Kältemaschine
im Wesentlichen vertikal verlaufen können.
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Der
Kapillareffekt, der den Transport des Wärmeträgerfluids in der flüssigen Phase
verursacht, kann durch eine Beschichtung der Oberfläche der
fluiddichten Folie mit einem geeigneten Dochtmaterial unterstützt werden
oder auch ausschließlich
mittels eines Dochtmaterials realisiert sein. Dies kann jedes nach
dem Stand der Technik für „Hegt Pipes" verwendete Dochtmaterial
sein, z.B. ein Polymer mit Poren im Mikrometer-Bereich (wie z.B. in
US 4,765,396 beschrieben), das schon
während
des Herstellungsprozesses der Folie aufgebracht wird, oder z.B.
eine dünne
Zeolithschicht auf der Folie. Bevorzugt sollte das Dochtmaterial
aus einem Material bestehen, das sich gut mit dem fluiddichten Element
verbindet (z.B. aus einem Polymer bestehen, das ähnliche Eigenschaften aufweist,
wie das des fluiddichten Elements).
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Erforderlich
ist in allen Fällen,
dass die jeweilige Kapillarstruktur so ausgebildet ist, dass (nach dem
Prinzip der "Heat
Pipes") ein Verdampfen
des Wärmeträgerfluids
durch vom Adsorberelement abgegebene Wärme möglich ist.
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Bei
einem Einsatz derartiger Adsorberelemente in einer "Hegt Pipe" umströmt das Wärmeträgerfluid
die Adsorberelemente dann nicht, sondern es wird in der flüssigen Phase
durch die Kapillarwirkung der rillenförmigen Vertiefungen bzw. des
Dochtmaterials am Adsorberelement "entlang gezogen" und wird durch Wärmezufuhr verdampft. Für den Dampftransport
sind dann erfindungsgemäß geeignete
Kanalstrukturen vorzusehen, wie sie aus dem Stand der Technik für Heat Pipes
bekannt sind. Beispielsweise können
hierfür
Dampfkanäle,
die durch zwei nebeneinander angeordnete Adsorberelemente gebildet
werden vorgesehen sein.
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Die
vorstehend beschriebene Ausführung, dass
das fluiddichte Element eine Oberflächenbeschaffenheit aufweist,
mit der sich eine Eignung für eine
Verwendung in einer "Heat-Pipe" realisieren lässt, stellt
eine eigene Erfindung dar (unabhängig von
einer Kombination des Merkmals der "Oberflächenbeschaffenheit des fluiddichten
Elements" mit dem
Merkmal, dass ein offenporiger Festkörper enthalten sein muss).
Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Erfindung ergeben sich aus den
Merkmalen der Unteransprüche
(ohne dass hierbei die jeweiligen Rückbezüge gelten).
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung hat das erfindungsgemäße Adsorberelement
eine geometrische Form nach Art eines Quaders, einer Spirale oder
eines Hohlzylinders. Adsorberelemente mit einer geometrischen Form
nach Art eines Quaders haben bevorzugt in einer Richtung eine wesentlich
geringere Ausdehnung als in den beiden anderen Raumrichtungen; dies
gilt auch für
von einem derartigen Quader abgeleitete Formen wie Spirale oder Hohlzylinder.
Hierbei wird erfindungsgemäß unter
einer geometrischen Form nach Art eines Quaders neben reinen Quadern
auch jeder geometrische Körper verstanden,
der sich durch Krafteinwirkung in einer Raumrichtung auf einen Quader
ergibt, ohne dass wesentliche Veränderungen der Größe der Oberflächen des
Quaders erfolgen (insbesondere sind stapelbare geometrische Körper zu
nennen, weiterhin fallen hierunter auch rinnenförmig bzw. schalenförmig verformte
Quader oder auch Quader mit konvexen und/oder konkaven Außenflächen oder
Teilflächen).
Die geometrische Form dieser Adsorberelemente nach Art eines Quaders
nähert
sich also bevorzugt der Form einer dünnen Platte an (dies gilt – wie erwähnt – auch für den Hohlzylinder,
der sich von einer Platte ableitet, deren Enden jeweils um 180 ° gegeneinander "verdreht" wurden und gilt
ebenfalls für
ein spiralförmiges
Adsorberelement, das sich von einer "aufgewickelten" Platte ableitet). Entscheidend für die Form
des Adsorberelements ist, dass die im Inneren des Adsorberelements
entstehende Wärme einen
möglichst
kurzen Weg zur Außenseite
des Adsorberelements hat, wo sie an das Wärmeträgerfluid abgegeben wird. Ist
das Adsorberelement ein Hohlzylinder, so kann alternativ im Inneren
des Hohlzylinders die Zuleitung des Adsorptivs erfolgen, so dass hier
kein fluiddichtes Element nötig
ist; es kann aber auch – wie
bei dem quaderförmigen
Adsorberelement – im
Inneren des Hohlzylinders ein fluiddichtes Element vorhanden sein
und dort – wie
auf der Außenseite
des Hohlzylinders – das
Wärmeträgerfluid entlang
strömen.
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Bevorzugt
weist das Adsorberelement mit einer geometrischen Form nach Art
eines Quaders eine Geometrie auf, bei der die drei sich jeweils
gegenüberliegenden
Flächenpaare
des Quaders folgende Bedingungen erfüllen: Das erste sich gegenüberliegende
Flächenpaar
besitzt bevorzugt einen mittleren Abstand von 1 mm bis 30 mm, besonders bevorzugt
3 bis 25 mm. das zweite und das dritte sich gegenüberliegende
Flächenpaar
des Quaders besitzen einen mittleren Abstand, der mindestens um
den Faktor 4, bevorzugt mindestens um den Faktor 7 größer ist
als der des ersten Flächenpaars.
Bevorzugt ist die Oberfläche
der beiden größten Seitenflächen der geometrischen
Form nach Art eines Quaders jeweils mindestens um den Faktor 16
größer als
das Quadrat des mittleren Abstands dieser Flächen, besonders bevorzugt mindestens
um den Faktor 50.
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Ein
derart ausgebildetes Adsorberelement hat den Vorteil, dass der Weg,
den die Wärme
vom Inneren des Adsorberelements zu dessen Außenseite (d.h. zur Außenseite
des fluiddichten Elements) zurücklegen
muss, minimiert werden kann.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung hat das erfindungsgemäße Adsorberelement
mit einer geometrischen Form nach Art eines Quaders, einer Spirale
oder eines Hohlzylinders rillen- und/oder dellen- und/oder schlitzförmigen Vertiefungen
im offenporösen
Festkörper,
an die sich das fluiddichte Element anschmiegt. Hierdurch kann die
thermische Weglänge
weiter reduziert werden. Eine Möglichkeit
der besonders guten Ausnutzung des Gesamtvolumens bei sehr kurzer
thermischer Weglänge
ist es, diese rillen- und/oder dellen- und/oder schlitzförmigen Vertiefungen
so anzuordnen, dass die zwischen zwei Vertiefungen liegenden Erhebungen
in die Vertiefungen eines benachbarten Adsorberelements mit gleichartiger
Oberflächenstruktur
greifen kann, so dass die zwei benachbarten Adsorberelemente nach
Art zweier Kämme
ineinander greifen und zwischen den Adsorberelementen ein gewundener,
bevorzugt auch schmaler, Spalt für
das Wärmeträgerfluid
frei bleibt. Eine derartige Oberflächenstruktur, die beispielsweise
wellenförmig
oder kammartig sein kann, kann auf einer oder mehreren Flächen vorliegen;
bevorzugt auf einem oder beiden Flächen des Flächenpaars mit dem geringsten
mittleren Abstand.
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Der
in den erfindungsgemäßen Adsorberelementen
eingesetzte offenporöse
Festkörper
besteht bevorzugt aus einem Metall und/oder einer Keramik bzw. enthält ein Metall
und/oder eine Keramik. Erfindungsgemäß kann also unter dem offenporösen Festkörper auch
ein Festkörper
auf Basis eines Metalls (bzw. einer Legierung), das für bestimmte
Anwendungszwecke Zuschlagstoffe, wie beispielsweise keramische Partikel,
enthält,
verstanden werden; ebenso kann darunter ein keramischer offenporöser Festkörper verstanden
werden, der für
bestimmte Anwendungszwecke keramische oder nicht keramische Zuschlagstoffe
enthält
(z.B. metallische Partikel zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit). Generell sollte der
offenporöse
Festkörper
eine möglichst
hohe Wärmeleitfähigkeit
besitzen, zugleich aber eine möglichst hohe
Porosität
aufweisen, Das Skelettmaterial des offenporösen Festkörpers sollte bevorzugt eine
Wärmeleitfähigkeit
größer als
30 W m-1 K-1, besonders bevorzugt
größer als
150 W m-1 K-1 aufweisen.
Der offenporöse
Festkörper
als solcher sollte bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit größer als 6 W m-1 K-1 aufweisen. Bei einer anisotropen Struktur
des offenporösen
Festkörpers
sollte die Wärmeleitfähigkeit
bevorzugt entlang der kürzesten
Wege zum Wärmeträgerfluid
am höchsten
sein.
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Wird
ein offenporöser
Festkörper
aus Keramik bzw. auf Basis einer Keramik verwendet, so kann hierfür z.B. Aluminiumnitrid
und/oder Siliziumcarbid verwendet werden.
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Bevorzugt
besteht der offenporöse
Festkörper
aus Metall oder enthält
ein Metall. Besonders bevorzugt wird das Metall hierbei aus Aluminium,
Kupfer, Silber und Legierungen dieser Elemente ausgewählt, da
diese eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit
besitzen. In einer Variante werden als Metall enthaltende offenporöse Festkörper mit
(bevorzugt kurzen) Kohlefasern verstärkte Metallmatrices, insbesondere
Kupfermatrices, eingesetzt, die sich durch anpassbares Temperaturausdehnungsverhalten
und hohe Wärmeleitfähigkeit
auszeichnen. Besonders bevorzugt weisen derartige Verbundwerkstoffe
30-65 Vol-% Kohlefasern auf, wobei in Abhängigkeit von der Konsolidierungsmethode
verschiedene Orientierungsverteilungen der Fasern in der Metallmatrix
eingestellt werden können.
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Generell
ist erfindungsgemäß unter
einem offenporösen
Festkörper
jede offenporöse
Struktur zu verstehen, die ein durch Diffusion für ein Gas zugängliches
Porenvolumen von mindestens 20% bezogen auf das Gesamtvolumen (bulk
volume) des Festkörpers
hat.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der offenporöse Festkörper ein
Metallschaum (bzw. Metallschwamm) oder ein Faserwerkstoff.
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Die
porösen
metallischen Körper
können
insbesondere durch pulvermetallurgische Verfahren, Sinterverfahren,
Siebdruckverfahren und/oder Gussverfahren hergestellt werden.
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Eine
pulvermetallurgische Herstellung kann beispielsweise erfolgen, indem
poröse
Strukturelemente aus einem organischen Werkstoff (die die Struktur
der später
ausgebildeten Poren haben) mit einem Metallpulver oder Metallpulvergemisch
beaufschlagt werden und nachfolgend einer thermischen Behandlung
unterworfen werden, wobei (üblicherweise
in einer ersten Stufe) der organische Werkstoff ausgetrieben wird. Üblicherweise
erfolgt in einer zweiten Stufe dann die Herstellung des porösen metallischen
Körpers
durch Sinterung. Alternativ kann auch eine Abscheidung von Metallen
auf der Oberfläche
des organischen Werkstoffs erfolgen (beispielsweise eine Abscheidung
aus der Gasphase, z.B. bei Nickel). Das poröse Strukturelement aus organischem
Werkstoff kann beispielsweise auch ein Körper aus (gegebenenfalls unter
Druck) miteinander versinterten kugelförmigen Gebilden (beispielsweise Polystyrolkugeln)
sein. Die pulvermetallurgische Route kann auch für die Herstellung von offenporösen keramischen
Materialien angewandt werden; hierbei müssen dann die organischen Grundkörper mit
keramischen Pulverpartikeln beschichtet werden und anschließend versintert
werden, wobei die organische Komponente ausgetrieben wird.
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Eine
offenporöse
metallische Struktur mittels eines Siebdruckverfahrens kann erhalten
werden, indem ein schichtweiser Aufbau der Struktur durch Siebdruck
erfolgt. Die Strukturierung wird hierbei durch Maskenvariation vorgenommen. Üblicherweise
ist nach der schichtweisen Generierung der Struktur ein anschließender Entbinderungs-
und/oder Sinterschritt notwendig. Mit diesem Verfahren kann eine offenporöse Struktur
hergestellt werden, die von der Struktur eines organischen (strukturbildenden)
Basismaterials unabhängig
ist; sie kann auch zur Herstellung von keramischen offenporösen Festkörpern verwandt
werden.
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Besonders
bevorzugt wird der offenporöse Festkörper mittels
eines Gussverfahrens hergestellt. Hierbei ist insbesondere ein Gussverfahren
vorteilhaft, bei dem ein die Porenform abbildendes organisches Material
in eine Gussform eingebracht, die anschließend mit einer Metallschmelze
bzw. einer metallhaltigen Schmelze infiltriert wird. Beispielsweise sei
ein Aluminiumdruckgussverfahren genannt, bei dem eine Aluminiumschmelze
sehr schnell in eine gekühlte
Form gepresst wird, die ein Granulat aus einem Polymermaterial enthält, das
die Schmelze verdrängt
und so zur porösen
Struktur des gegossenen Bauteils führt. Das organische Material
(bzw. das Polymergranulat) wird nach der Erstarrung der Metallschmelze
bzw. metallhaltigen Schmelze bei einer Temperatur unterhalb der
Schmelztemperatur des Metalls (bzw. der Liquidus-Temperatur) ausgeschmolzen.
Bevorzugt wird das Gussverfahren so durchgeführt, dass eine Infiltration
der Polymergranulate ohne ein Ausschmelzen derselben erfolgt. Beispielhaft
sei als mögliches
Material für
das Polymergranulat Polystyrol genannt. Als Metallschmelze wird
bevorzugt eine Schmelze mit einem Schmelzpunkt, der niedriger oder
gleich ist wie der von Aluminium, verwendet; besonders bevorzugt
sind Schmelzen von Aluminium oder Aluminium-Legierungen. Besonders
bevorzugt ist das Gussverfahren ein Druckgussverfahren; denkbar
ist beispielsweise aber auch ein Feingussverfahren. Die Verwendung
eines Gussverfahrens mit Schmelzinfiltration hat den Vorteil, dass
mittels des darin enthaltenen organischen Materials genau festgelegt
werden kann, welche Oberflächenbeschaffenheit
und welche Porenstruktur der offenporöse Festkörper besitzt. Ferner können Gradienten
in der Porenstruktur eingestellt werden, Kanäle, die den offenporösen Festkörper durchlaufen,
ausgespart werden und massive Strukturelemente, die der mechanischen
Stabilität
des offenporösen
Festkörpers
bzw. des Adsorberelements dienen, vorgesehen werden. Eine bevorzugte
Methode der Herstellung des offenporösen Festkörpers mittels eines Druckgussverfahrens
besteht darin, den zu infiltrierenden Polymerkörper in eine der Hälften der Gusskavität in der
metallischen Dauerform der Druckgussanlage einzulegen und anschließend mit modifizierten
Parametern des Druckgussprozesses zu infiltrieren. Bevorzugt sind
Ausbuchtungen und Befestigungselemente für etwaige Dampftransportkanäle in der
Gussform enthalten. Es ist dabei auch denkbar, den offenporösen Festkörper bzw.
das Adsorberelement aus mehreren jeweils mittels eines Druckgussverfahrens
hergestellten Teilen herzustellen. Bevorzugt wird das Druckgussverfahren
aber so durchgeführt,
dass der offenporöse
Festkörper
(gegebenenfalls mit darin enthaltenen Strukturelementen) einstückig hergestellt
wird.
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Der
offenporöse
metallhaltige Festkörper kann
auch durch ein Versintern metallischer oder metallhaltiger Fasern
erhalten werden. Auch hierbei können
Kanäle
dadurch vorgesehen werden, dass entsprechend geformte organische
Materialien, die später
ausgeschmolzen werden können,
während des
strukturbildenden Sintervorgangs als Platzhalter enthalten sind.
Auch hier können
massive Strukturelemente durch Einbringen entsprechender massiver Bauteile
(insbesondere Metallteile) erhalten werden. Bei Verwendung kurzer
Fasern im Längenbereich von
3 bis 25 Millimeter lässt
sich eine Anisotropie der offenporösen Festkörperstruktur einstellen, die
zu verringerten Strömungsverlusten
führt und
damit vorteilhaft für
die Beladung des Elements sein kann (insbesondere werden die Strömungsverluste
in Längsrichtung
bei quaderförmigen
Adsorberelementen verringert).
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der im erfindungsgemäßen Adsorberelement
enthaltene offenporöse
Festkörper
eine möglichst
hohe spezifische Oberfläche
auf. Dies gewährleistet,
dass der Wärmetransport
vom Sorptionsmaterial über
den offenporösen
Festkörper
zum fluiddichten Element und deren Wärmeträgerfluid besonders effizient
erfolgen kann. Bevorzugt ist daher die spezifische Oberfläche des
offenporösen Festkörpers größer als
2.500 m2/m3, besonders
bevorzugt größer als
10.000 m2/m3 und
ganz besonders bevorzugt größer als
25.000 m2/m3.
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Das
Adsorbens (bzw. Sorptionsmaterial; z.B. ein Zeolith oder ein Kieselgel)
kann auf verschiedene Arten in die poröse Festkörperstruktur eingebracht werden.
Eine bevorzugte Variante ist die Aufkristallisation von Zeolithen
mit einem konsumtiven Verfahren. Bei Verwendung eines aluminiumhaltigen
offenporösen
Festkörpers
(beispielsweise eines Aluminiumschwamms) kann dieser als Aluminiumquelle
der Zeolithsynthese dienen (vgl. F. Scheffler et al. in: Preparation
and properties of an electrically heatable aluminium foam/zeolite
composite, Microporous and Mesoporous Materials 67, 2004, S. 53-59).
Weiterhin kann eine Aufkristallisation nach der "thermal gradient"-Methode erfolgen (vgl. A. Erdem-Senatalar
et al. in: Preparation of zeolite coatings by direct heating of the
substrates, Microporous and Mesoporous Materials 32, 1999, S. 331-343).
Weiterhin kann eine Beschichtung mit Adsorbens durch Eintauchen
in eine das Adsorbens enthaltende Suspension erfolgen. Ferner kann
zusätzlich
(oder gegebenenfalls auch ausschließlich) ein Befüllen der
(verbleibenden) Hohlräume
mit weiterem Sorptionsmaterial erfolgen. Ziel ist es stets, einen
möglichst
großen
Massenanteil des Adsorbens im Adsorberelement zu erreichen und zugleich
sowohl eine sehr gute Wärmeleitung
vom Adsorbens zur Oberfläche
des Adsorberelements (d.h. des fluiddichten Elements) zu gewährleisten
als auch eine schnelle Diffusion des dampfförmigen Adsorptivs in das gesamte
Volumen des Adsorberelements möglich
zu machen. Insbesondere wenn der Stofftransport (also die Diffusion
des Adsorptivdampfes zum Adsorbens hin) zum limitierenden Faktor
für die
Adsorptionskinetik eines von außen
gekühlten Adsorberelements
wird, wie dies z.B. aufgrund des nachträglichen Eindringens von granulärem Adsorbens
der Fall sein kann, ist es sinnvoll, das Adsorberelement gezielt
mit Kanälen
für den
Dampftransport zu versehen.
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Erfindungsgemäß ist es
also bevorzugt, wenn der offenporöse Festkörper von einem oder mehreren
Transportkanälen
für das
Adsorptiv durchzogen ist; diese sollten mindestens einen solchen Durchmesser
haben, dass darin auch bei dem geringsten anwendungsrelevanten Dampfdruck
noch eine gerichtete Strömung
vorherrscht, also keine Knudsen-Diffusion.
In einer besonders bevorzugten Ausprägung verzweigen sich die Transportkanäle in einer
fraktalen Struktur, wie sie aus der Lösung von Strömungsproblemen
in der Natur (z.B. in Blättern von
Pflanzen, siehe z.B. Strasburger Lehrbuch der Botanik, ISBN 3827413885,
Spektrum Akademischer Verlag, 2002.) bekannt ist. Analog zur Funktionstrennung
in Blättern,
in denen der Wassertransport über längere Strecken über sich
fraktal verzweigende Leitbündel
erfolgt und nur der Nahtransport (etwa sieben Zelldurchmesser) durch
die transpirativ und photosynthetisch aktiven Zellen, so kann hier
der Ferntransport des Wasserdampfes über die Transportkanäle und nur
der Nahtransport durch die Struktur des offenporösen Festkörpers erfolgen. Die fraktale
Kanalstruktur für
den Transport kann z.B. bei einer Herstellung des offenporösen Festkörpers mittels
eines Gussverfahrens in die Gussform eingeprägt sein.
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Im
Bereich dieser Transportkanäle
sollte der offenporöse
Festkörper
bevorzugt eine höhere
Porosität
als in den übrigen
Bereichen des offenporösen Festkörpers aufweisen.
insbesondere an den Stellen, an denen die Transportkanäle auf die
Außenfläche des
offenporösen
Festkörpers
stoßen,
sollten Anschlüsse
enthalten sein, über
die das dampfförmige Adsorptiv
in das Adsorberelement einströmen
kann; in einer vorteilhaften Ausgestaltung sind dies zwei, drei
oder mehr Anschlüsse.
Ist das Adsorberelement nach Art eines Hohlzylindes ausgeführt, bei
dem der das dampfförmige
Adsorptiv über
den Innenraum des Hohlzylindes zugeführt wird, so sind nur ein oder zwei
Anschlüsse
an den (geschlossenen) Grundflächen
erforderlich.
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Ein
Adsorberelement mit zwei oder mehr Anschlüssen hat den Vorteil, dass
der Dampftransport in das gesamte Volumen des Adsorberelements hinein effizienter
und durch mehrere Dampfkanäle
erfolgen kann (was insbesondere bei Adsorberelementen mit quaderförmiger Geometrie
vorteilhaft ist). Ein derart ausgebildetes Adsorberelement ist generell
dann vorteilhaft, wenn die Diffusion innerhalb des Adsorberelements
den "Flaschenhals" des Stofftransports und
den limitierenden Faktor für
die gesamte Adsorptionskinetik darstellt.
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Die
erfindungsgemäße Adsorptionswärmepumpe
bzw. Adsorptionskältemaschine
enthält
mindestens ein Adsorberelement, das einen offenporigen wärmeleitenden
Festkörper
und ein auf der inneren Oberfläche
dieses Festkörpers
angeordnetes Sorptionsmaterial für
ein dampfförmiges
Adsorptiv umfasst, wobei auf der Außenfläche des offenporigen Festkörpers zumindest
in den Bereichen, in denen ein Kontakt mit einem Wärmeträgerfluid
vorgesehen ist, ein fluiddichtes wärmeleitendes flächiges Element
angeordnet ist.
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Dabei
ist das mindestens eine Adsorberelement derart ausgebildet, dass
der Wärmeaustausch zwischen
dem offenporigen Festkörper
und dem Wärmeträgerfluid über das
fluiddichte Element erfolgen kann. Üblicherweise enthält die erfindungsgemäße Adsorptions-Wärmepumpe oder Adsorptions-Kältemaschine
weiterhin einen Verdampfer, einen Kondensator (wobei auch ein Bauteil
möglich
ist, das sowohl als Verdampfer als auch als Kondensator fungiert)
und einen vakuumdichten Adsorptivkanal, der über Anschlüsse mit dem Adsorberelement,
dem Verdampfer und dem Kondensator verbunden sind. Die Adsorberelemente
bzw. das auf deren Außenseite
aufgebrachte fluiddichte Element werden während des Betriebs der Wärmepumpe
oder Kältemaschine von
außen
mit dem Wärmeträgerfluid
(z.B. Wasser, einem Wasser-Glykol-Gemisch oder im Falle einer Zweiphasenströmung z.B.
auch Methanol) umspült und
so während
der Desorptionsphase geheizt und während der Adsorptionsphase
gekühlt.
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Ein
bevorzugter Einsatz der erfindungsgemäßen Adsorberelemente ist die
Verwendung in einer Adsorptionskältemaschine
oder Adsorptionswärmepumpe,
in der im Wärmeträgerfluid
ein wandernder Temperaturgradient ("thermal wave") erzeugt wird. Hierfür ist eine
Anordnung mit mindestens zwei Adsorbereinheiten, die jeweils zumindest
teilweise die erfindungsgemäßen Adsorberelemente
enthalten, erforderlich. Zwischen den beiden Adsorbereinheiten erfolgt
dann also nicht nur eine einfache Wärmerückgewinnung. Der wandernde
Temperaturgradient wird realisiert, indem am Ende des Adsorptionsprozesses
der einen Adsorbereinheit und des Desorptionsprozess der zweiten
Adsorbereinheit beide hydraulisch in Reihe geschaltet und mit dem
Wärmeträgerfluid
durchströmt
werden. Mit diesen "thermal wave"-Verfahren kann ein
Großteil
der in der thermischen Masse der Adsorbereinheiten bzw. Adsorberelemente
gespeicherten sensiblen Wärme
zwischen beiden Adsorbereinheiten ausgetauscht werden. Am Ende dieses "thermal wave"-Prozesses haben
nicht beide Adsorber dieselbe mittlere Temperatur, sondern der ursprünglich heiße Adsorber
(der zuvor desorbiert wurde) hat eine deutlich niedrigere Temperatur
als der ursprünglich
kalte Adsorber (der zuvor adsorbiert hat). Das "thermal wave"-Verfahren ist beispielsweise in der
US 4,610,148 und der
US 4,694,659 offenbart.
Zur Realisierung des "thermal wave"-Prozesses wurden
in der Vergangenheit verschiedenste Vorschläge gemacht. Bisher wurde allerdings
keine Anordnung der Adsorberelemente vorgeschlagen, die dieses "thermal wave"-Prinzip realisiert und
die einen einfachen, störungsunanfälligen und kostengünstigen
Adsorberbau ermöglicht.
Mit einer Wärmepumpe
oder Kältemaschine,
in der die erfindungsgemäßen Adsorberelemente
in Reihe geschaltet sind, ist dies nun erstmals möglich; es
ist daher erstmals eine effiziente Wärmerückgewinnung nach dem "thermal wave"-Prinzip realisierbar.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind jeweils zwei benachbarte
Adsorberelemente der erfindungsgemäßen Wärmepumpe oder Kältemaschine mittels
mindestens eines Adsorptivkanals verbunden, wobei mindestens ein
Adsorptivkanal, mit dem zwei benachbarte Adsorberelemente verbunden sind,
auf einer Achse angeordnet ist, auf der sich weitere Adsorptivkanäle weiterer
Adsorberelementpaare befinden. Bevorzugt befinden sich alle oder
zumindest die meisten Adsorptivkanäle auf derartigen Achsen, die
durch den gesamten Adsorberelementstapel verlaufen.
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Eine
derartige Anordnung hat den Vorteil, dass für den vakuumdichten Anschluss
der Adsorptivkanäle
an die Adsorberelemente nur ein Zusammenpressen des Stapels aus
Adsorberelementen und Adsorptivkanälen längs der Achse der Adsorptivkanäle notwendig
ist. Zusätzlich
können
hierbei Dichtungselemente vorgesehen werden, die bei Ausübung von
Druck längs
der Adsorptivkanalachse abdichten. Weiterhin sind in derartigen
Adsorberelement/Adsorptivkanal-Stapeln (mit oder ohne Dichtungselemente)
die Adsorberelemente bevorzugt so ausgeführt, dass an den Stellen, an
denen (durch das Zusammenpressen des Stapels) der Anpressdruck entsteht,
mechanisch so stabil sind, dass sie diesem Anpressdruck Stand halten.
Dies kann beispielsweise durch massiv ausgeführte Bereiche im Adsorberelement
oder Porenstrukturen mit entsprechend ausgebildeter Geometrie in
dem im Adsorberelement enthaltenen offenporösen Festkörpers erfolgen. Insbesondere
bevorzugt sind hierbei Strukturen, die gleichzeitig als Abstandshalter
zwischen zwei sich gegenüberliegenden
Adsorptivkanälen
auf zwei Seiten des Adsorberelements fungieren. Diese (massiven)
Abstandshalter können
in Aussparungen des Adsorberelements (die nach Art einer Bohrung
gebildet sind) eingelegt werden, sie können aber auch ein Bestandteil
des offenporösen
Festkörpers
sein (insbesondere wenn dieser mittels eines Gussverfahrens erhalten
wurde). Das Adsorberelement sollte trotz allem allerdings so porös sein,
dass das gasförmige Adsorptiv,
das durch den Adsorptivkanal in das Adsorberelement gelangt, sich
schnell genug im ganzen Volumen des Adsorberelements ausbreiten
bzw. verteilen kann, sobald es in das Innere des Adsorberelements
einströmt.
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Um
den vakuumdichten Anschluss der Adsorptivkanäle an die Adsorberelemente
im vorstehend beschriebenen Adsorptivkanal/Adsorberelement-Stapel
zu erreichen bzw. den hierfür
nötigen Anpressdruck
zu erzeugen, kann in der erfindungsgemäßen Wärmepumpe oder Kältemaschine
ein Halterungselement vorgesehen werden, das innerhalb der Adsorberelemente
durch die auf einer Achse angeordneten Adsorptivkanäle verläuft. Alternativ kann
das Halterungselement auch ganz außerhalb der Adsorberelemente
verlaufen. An den Enden dieses Halterungselements müssen Mittel
vorgesehen sein, mit denen der benötigte Anpressdruck erzeugt werden
kann, so dass die vakuumdichte Verbindung von Adsorptivkanälen und
Adsorberelementen realisiert werden kann.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
für das vorstehend
beschriebenen Halterungselement ist eine Gewindestange, die im Inneren
des Adsorptivkanals verläuft
und bei der sich an mindestens einem Ende eine Mutter befindet,
die angezogen werden kann, um den erforderlichen Anpressdruck zu
erzeugen. Verläuft
die Gewindestange im Inneren der Adsorptivkanäle, so ist keine vakuumdichte
Durchführung
dieser Stange erforderlich. Verläuft
das Halterungselement außerhalb
der Adsorberelemente, so sind üblicherweise
mehrere Halterungselemente nötig,
um ein vakuumdichtes Zusammentreffen des Adsorptivkanal/Adsorberelement-Stapels
zu ermöglichen.
Wie bereits oben ausgeführt,
enthält
der Adsorptivkanal/Adsorberelement-Stapel bevorzugt zwischen Adsorberelement
und Adsorptivkanal ein Dichtungselement; dann ist eine vakuumdichte
Realisierung des Stapels besonders leicht erreichbar. Alternativ
kann statt einer Dichtung zwischen Adsorberelement und Adsorptivkanal
auch der Adsorptivkanal selbst oder gegebenenfalls auch nur dessen
Enden als Dichtungselement fungieren.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die für die erfindungsgemäßen Wärmepumpen
oder Kältemaschinen
verwendeten Adsorberelemente in den Bereichen, in denen später eine
Dichtung oder ein Adsorptivkanal anliegen soll, eine Profilierung auf.
Hierdurch kann ein "Verrutschen" des Dichtungselements
und/oder des Adsorptivkanals unterbunden werden.
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Bei
einer ringförmigen
Anschlussstelle des Dichtungselements bzw. des Adsorptivkanals kann, sofern
das Adsorberelement bzw. der darin enthaltene offenporöse Festkörper z.B.
mittels eines Gussverfahrens hergestellt wird, die für das Gussverfahren
verwendete Gussform bereits ringförmige Vorsprünge aufweisen,
so dass der fertige offenporöse Festkörper dort
eine ringförmige
Kerbe aufweist. Ganz allgemein kann bei jeglicher Profilierung des Adsorberelements
die Gussform mit dieser Profilierung entsprechenden Vorsprüngen ausgebildet
sein.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist an der Stelle, an der eine
Profilierung vorhanden ist, im Inneren des Adsorberelements bzw.
des darin enthaltenen offenporösen
Festkörpers
ein Abstandshalter vorgesehen.
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Das
vorstehend beschriebene Dichtungselement wird bevorzugt so ausgeführt, dass
beim Anlegen von Anpressdruck eine Verteilung des Anpressdrucks
auf eine möglichst
große
Fläche
des Adsorberelements bzw. des darin enthaltenen offenporösen Festkörpers erfolgt.
Wie bereits oben beschrieben, kann die mechanische Stabilität des offenporösen Festkörpers zusätzlich erhöht werden,
indem in den offenporösen
Festkörper
beispielsweise Löcher gebohrt
werden, in die massive Abstandshalter eingelegt werden, auf denen
sich zwei Adsorptivkanäle bzw.
Dichtungselemente (z.B. in Ringform) abstützen, wenn sie von außen zusammengepresst
werden. Alternativ können
natürlich
auch im offenporösen
Festkörper
entsprechende Strukturelemente vorhanden sein.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden bei den erfindungsgemäßen Wärmepumpen oder
Kältemaschinen
Adsorberelemente eingesetzt, die als fluiddichtes Element eine Folie
enthalten, die mittels eines Vakuumverpackungsverfahrens auf den im
Adsorberelement enthaltenen offenporigen Festkörper aufbringbar bzw. aufgebracht
ist, und die mit dem offenporigen Festkörper formschlüssig oder stoffschlüssig (insbesondere
durch "Verkleben" mittels eines Binders)
verbunden ist. In diesem Fall sollte die Oberfläche der Adsorberelemente an
den Stellen, an denen eine Dichtung bzw. ein Adsorptivkanal aufliegt,
bevorzugt glatt sein, damit die das Adsorberelement umhüllende Folie
glatt aufliegen kann und eine dort auf die Folie gepresste Dichtung
bzw. ein auf die Folie gepresster Adsorptivkanal zu einer vakuumdichten
Verbindung führen
kann. Vorzugsweise ist die Auflagefläche so an die Form der Dichtung bzw.
des Adsorptivkanals angepasst, dass die Dichtung bzw. der Adsorptivkanal
bei minimalem Anpressdruck abdichtet (bei Verwendung eines O-Rings
als Dichtung würde
das Adsorberelement also beispielsweise eine kreisförmige Rille
mit gerundetem Profil aufweisen). Eine vakuumdichte Folie ist auf
die in den erfindungsgemäßen Wärmepumpen oder
Kältemaschinen
enthaltenen Adsorberelemente leicht aufbringbar und schmiegt sich
faltenfrei an das Profil der Dichtungsstelle an; im Inneren der
Dichtungsstelle wird die Folie und gegebenenfalls das Adsorberelement
durchbohrt, so dass das dampfförmige
Adsorptiv ins Innere des Adsorberelements eindringen kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung befinden sich zwischen
zwei benachbarten Adsorberelementen zwei oder bevorzugt drei oder
mehr Adsorptivkanäle,
die nicht auf einer Gerade liegen. Wenn jedes Adsorberelement eines
Adsorberelements/Adsorptivkanal-Stapels an mindestens drei Dampfkanäle (bzw.,
wenn beide Seiten eines Adsorberelements gezählt werden, sechs Dampfkanäle) angeschlossen
ist, die nicht auf einer quer zum Stapel verlaufenden Gerade liegen,
so wird die Gefahr von Undichtigkeiten des Adsorberelements/Adsorptivkanal-Stapels
aufgrund des Verkantens einzelner Adsorberelemente stark reduziert.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
enthalten die erfindungsgemäßen Wärmepumpen
oder Kältemaschinen
zumindest teilweise Adsorberelemente, die eine geometrische Form
nach Art eines Quaders besitzen. Bevorzugt ist der mittlere Abstand
zweier benachbarter derartiger Adsorberelemente geringer als der
mittlere Abstand des sich gegenüberliegenden
ersten Flächenpaars
des geometrischen Körpers
nach Art eines Quaders (der wiederum geringer ist als der Abstand
des zweiten und dritten sich gegenüberliegenden Flächenpaars
des geometrischen Körpers
nach Art eines Quaders). Besonders bevorzugt ist der mittlere Abstand
kleiner als 20 mm. Dieser Abstand kann z.B. mittels Abstandshaltern
(beispielsweise auch in Form von Adsorptivkanälen und/oder Dichtungselementen)
eingestellt werden.
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Je
geringer der Abstand benachbarter Adsorberelemente ist, desto höher ist
die Tendenz zur Ausbildung einer turbulenten Strömung im Wärmeträgerfluid und desto besser ist
der Wärmeübergang vom
Adsorberelement zum Wärmeträgerfluid.
Allerdings wird dabei auch der Druckverlust im Hydraulikkreis des
Wärmeträgerfluids
höher. Üblicherweise
ist daher eine mittlere Spaltbreite von 0,5 mm bis 5 mm sinnvoll.
Bei speziellen Ausgestaltungen ist kann diese auch größer (bis
zu 30 mm) sein.
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In
den erfindungsgemäßen Wärmepumpen oder
Kältemaschinen
sind bevorzugt mehrere Adsorberelemente, besonders bevorzugt ausschließlich Adsorberelemente,
enthalten, die seriell und/oder parallel von Wärmeträgerfluid angeströmt werden
oder angeströmt
werden können.
Besonders bevorzugt besitzen die Adsorberelemente dann eine Geometrie nach
Art eines Quaders, ganz besonders bevorzugt sind sie plattenförmig.
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Wenn
die Adsorberelemente parallel umströmt werden sollen (was vorteilhaft
ist, da dann ein besonders geringer Druckverlust im hydraulischen Kreis
des Wärmeträgerfluids
zu verzeichnen ist), so befinden sich die hierfür im Wesentlichen parallel
angeordneten Adsorberelemente üblicherweise
in einer geschlossenen Wanne, die mindestens je einen Zu- und Abfluss
für das
Wärmeträgerfluid
aufweist. Dabei ist es zweckmäßig, die
Wanne, in der sich die parallel angeordneten Adsorberelemente befinden,
etwas höher
oder breiter auszuführen
als die Adsorberelemente, und den Adsorberelementstapel mittig in
der Wanne zu fixieren, so dass auf beiden Seiten das Wärmeträgerfluid
an den Adsorberelementen vorbeiströmen kann und parallel zwischen
diesen hindurch strömt.
Wenn die Adsorberelemente seriell umströmt werden sollen (was besonders
geeignet ist, wenn eine "thermal
wave" durch den
Adsorber realisiert werden soll), dann ist es zweckmäßig, wenn
zwei Adsorberelementstapel verwendet werden, die alternierend verschaltet
sind. Die jeweiligen Adsorberelemente sind dabei versetzt zu den
Adsorberelementen des jeweils anderen Adsorberelementstapels angeordnet.
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Besonders
bevorzugt sind die Adsorberelemente in der erfindungsgemäßen Wärmepumpe
oder Kältemaschine
in Form eines Adsorberlementstapels nach Art eines Kamms angeordnet.
Im "Rücken" des Kamms verläuft dabei
bevorzugt der Absorptivkanal (durch den die Zuführung des dampfförmigen Adsorptivs
zu den Adsorberelementen erfolgt).
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Ein
serielles Anströmen
der Adsorberelemente durch das Wärmeträgerfluid
kann hier besonders einfach realisiert werden. Hierbei werden zwei Adsorberelementstapel
nach Art eines Kamms so zueinander positioniert, dass die "Spitzen" der Kämme ineinander
greifen und das Wärmeträgerfluid
diese Anordnung daher mäanderförmig durchströmen kann.
Die "Spitzen" des Kammes schließen also
nicht bündig
mit der gegenüberliegende
Begrenzungsfläche
(d.h. den "Rücken" des jeweils anderen
Kamms) ab, sondern lassen abwechselnd auf beiden Seiten einen Spalt
frei. Werden zwei derart angeordnete Adsorberelementstapel in eine
rechteckige Wanne mit planen Begrenzungsflächen gelegt, die dicht mit
den Außenkanten
des jeweiligen Adsorberelementstapels abschließen, so kann das Wärmeträgerfluid
nur mäanderförmig durch
alle Zwischenräume
der Adsorberelemente nacheinander hindurchströmen. Zur Realisierung einer "thermal wave" ist die die zwei
Adsorberelementstapel umgebende Wanne vorzugsweise aus einem Material
mit schlechter Wärmeleitfähigkeit
hergestellt, damit ein sich längs
des Adsorberelementstapels ausbildender Temperaturgradient nicht
zu schnell durch Wärmeleitung über die äußeren Begrenzungsflächen (d.h.
die Wanne) abgebaut wird. Zusätzlich
können
die Adsorberelementstapel zumindest teilweise (bevorzugt ausschließlich) jeweils benachbarte
Adsorberelemente mit rillen- und/oder dellen- und/oder schlitzförmigen Vertiefungen
enthalten, die so angeordnet sind, dass die zwischen zwei Vertiefungen
liegenden Erhebungen des einen Adsorberelements in die Vertiefungen
des benachbarten Adsorberelements mit gleichartiger Oberflächenstruktur
eingreifen können,
so dass auch diese benachbarten Adsorberelemente nach Art zweier
Kämme ineinander
greifen.
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Die
vorstehend beschriebene einfach mäandernde Anordnung (miteinander
verschaltete Adsorberelementstapel), wie auch die doppelt mäandernde Anordnung
(zusätzliche
Verschaltung der Adsorberelemente) stellen eine eigene Erfindung
dar (unabhängig
von einer Kombination des Merkmals der "Verschaltung" mit den Merkmalen, dass ein fluiddichtes Element
und/oder ein offenporigem Festkörper
enthalten sein muss). Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Erfindung
ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche (ohne dass hierbei die
jeweiligen Rückbezüge gelten).
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Werden
zwei Adsorberelementstapel nach Art eines Kamms so zueinander positioniert,
dass die "Spitzen" des Kamms jeweils
ineinander greifen und die "Spitzen" des Kamms außerdem den "Rücken" des jeweils anderen Kamms berühren, so
kann eine Anordnung für
eine parallele Anströmung
der Adsorberelemente realisiert werden. Diese ist bei herkömmlichen
Wärmerückgewinnungsverfahren
effizienter, da ein geringerer Druckverlust im hydraulischen Kreis
des Wärmeträgerfluids
zu verzeichnen ist. Ist zumindest einer der beiden Adsorberelementstapel
nach Art eines Kamms beweglich angeordnet, so kann auch eine Adsorptionswärmepumpe
oder eine Adsorptionskältemaschine
realisiert werden, in der zwischen seriellem und parallelem Betrieb
hin und her geschaltet werden kann.
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Bevorzugt
sollte sowohl bei der seriellen als auch bei der parallelen Umströmung der
Adsorberelemente die die Adsorberelementstapel umgebende Wanne eine
möglichst
geringe Wärmekapazität aufweisen,
also für
ein gegebenes Material ein möglichst geringes
Gewicht besitzen. Generell werden die erfindungsgemäßen Wärmepumpen
bzw. Kältemaschinen
bevorzugt so konstruiert, dass der Massenanteil des Adsorbens gegenüber dem
Anteil der inerten Masse, die unter Aufwendung sensibler Wärme thermisch
zykliert werden muss, zu maximieren.
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Die
erfindungsgemäßen Wärmepumpen
und Kältemaschinen
können
selbstverständlich
neben der oben beschriebenen kammförmigen Anordnung von Adsorberelementstapeln auch
zusätzlich
anders angeordnete Gruppen von Adsorberelementen enthalten; sie
kann außerdem
auch mehrere zusammengeschaltete Adsorbereinheiten (d.h. Einheiten aus
jeweils zwei oder mehr Adsorberelementstapeln oder anders angeordneten
Gruppen von Adsorberelementen) nach den vorstehend beschriebenen
Prinzipien aufweisen. Prinzipiell sind alle nach dem Stand der Technik
bekannten Varianten zur Verschaltung mehrerer Adsorberelementeinheiten
möglich
(vgl. z.B. M.A. Lambert et al. "A
Review of Solid-Vapor Adsorption Heat Pumps", 41st AIAA
Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2003, Reno, Nevada, 2003-0514).
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Die
vorliegende Erfindung wird – ohne
Einschränkung
der Allgemeinheit – nachfolgend
noch näher
anhand von Zeichnungen erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
einen Ausschnitt aus einem profilierten Adsorberelement, das als
fluiddichtes Element eine Folie aufweist.
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2:
einen Schnitt durch die Anschlussstelle für einen Adsorptivkanal in einem
Adsorberelement.
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3:
den Aufbau einer Adsorbereinheit zur Realisierung einer "thermal wave" in der Aufsicht.
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4:
einen weiteren Aufbau zur Realisierung einer "thermal wave".
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5a und 5b:
das Aufbringen einer als fluiddichtes Element verwendeten Folie
auf offenporöse
Festkörper
und einen Adsorptivkanal und den Verlauf der Schweißnähte bei
einem hieraus gebildeten Adsorberelementstapel, bei dem die einzelnen Adsorberelemente
nach Art eines Kamms angeordnet sind.
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6 und 6a zeigen
ein bzw. zwei Adsorberelemente mit einer Oberflächenstruktur von ineinander
greifenden rillenförmigen
Vertiefungen.
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In 1 ist
ein Ausschnitt aus einem Adsorberelement zu sehen, bei dem der offenporöse Festkörper (1)
z.B. mittels eines Vakuumverpackungsprozesses mit einer Folie (2)
verpackt (z.B. eingeschweißt)
wurde. Zum Anschluss von Adsorptivkanälen (24) ist in diesem
Adsorberelement eine Profilierung (12) in Form einer kreisförmigen Kerbe
bzw. Rille vorgesehen. In diese Rille kann ein Dichtungselement
(11) in Form eines Rings eingelegt werden, damit mit dem
Adsorptivkanal (24) bei Anlegen eines Anpressdrucks ein
vakuumdichter Abschluss erzeugt werden kann. Im Zentrum der Profilierung
(12) wurde ein Loch (13) in den offenporösen Festkörper (1)
gebohrt, um eine bessere Verteilung des dampfförmigen Adsorptivs im Adsorberelement
bzw. im offenporösen
Festkörper,
der mit dem Sorptionsmaterial beschichtet ist, zu ermöglichen.
Weiterhin kann durch das Loch (13) ein Befestigungselement
geführt
werden, mittels dem der Anpressdruck zum Erreichen eines vakuumdichten
Abschlusses zwischen Adsorberelementen und Adsorptivkanälen angelegt
werden kann.
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2 zeigt
einen Schnitt durch die Anschlussstelle eines Adsorberelements (das
fluiddichte Element (2) bzw. eine als fluiddichtes Element
eingesetzte Folie wird hier weitgehend nicht gezeigt). Im Bereich
der Anschlussstelle für
die Adsorptivkanäle bzw.
den zwischen Adsorptivkanälen
und Adsorberelementen angeordneten Dichtungselementen (11) befindet
sich hier ein Verstärkungselement
(14) zur Erhöhung
der mechanischen Stabilität
des Adsorberelements, das eine Profilierung (12) in Form
einer kreisförmigen
Kerbe bzw. Rille aufweist. Im Zentrum der Profilierung (12)
ist auch hier ein Loch (13) im offenporösen Festkörper (1) vorhanden.
Um den Anpressdruck für
eine Vakuumdichtigkeit der gesamten Anordnung aus Adsorberelementen
und Adsorptivkanälen
erzeugen zu können
verläuft
ein Halterungselement (15) (z.B. eine Gewindestange) durch
das im Zentrum der Profilierung (12) in den offenporösen Festkörper (1)
gebohrte Loch (13). Durch den hier nicht gezeigten (bzw.
gegebenefalls nur aus dem Dichtungselement (11) bestehenden
Adsorptivkanal) und das in den offenporösen Festkörper (1) gebohrte Loch
(13) kann Adsorptiv in den offenporösen Festkörper (1) und den zu
einem benachbarten Adsorberelement führenden Adsorptivkanal strömen.
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3 zeigt
einen Aufbau einer Adsorbereinheit zur Realisierung einer "thermal wave" in der Aufsicht.
Die Adsorberelemente (21) sind zu zwei Adsorberelementstapeln
zusammengefasst, die zusammen mit der Begrenzung (31) jeweils
einen Adsorberelementstapel nach Art eines Kamms bilden. Die jeweils
benachbarten Adsorberelemente (21) aus den beiden Adsorberelementstapeln
weisen einen geringen Abstand voneinander auf, so dass die auf einer Achse
zwischen den Adsorberelementen angeordneten Adsorptivkanäle (24)
nur sehr kurz sind (und im Wesentlichen durch das Dichtungselement
(11) gebildet werden). Die zwei kammartigen Adsorberelementstapel
sind in eine Wanne (25) eingefügt (deren Seitenwände die
rückwärtige Begrenzung
(31) des kammartigen Adsorberelementstapels bilden), durch die
das Wärmeträgerfluid
strömt.
Durch die alternierende Anordnung der Adsorberelementstapel die dem
Wärmeträgerfluid
jeweils nur an einer Seite der Wanne Platz zum Vorbeiströmen lässt, muss
das Fluid durch einen mäanderförmigen Kanal
(22) zwischen allen Adsurberelementen nacheinander hindurch
strömen.
Dadurch kann sich ein Temperaturgradient entlang der Wärmeträgerfluidkanalachse einstellen
und so eine "thermal
wave" realisiert
werden. Durch die gesamte Anordnung aus Adsorberelementen (21)
und Adsorptivkanälen
(24) verläuft
ein Halterungselement (15) (z.B. eine Gewindestange); wie
in 2 gezeigt ist in jedem offenporösen Festkörper (1)
ein Loch (13) vorgesehen, das sich im Zentrum der Profilierung
(12) für
ein Dichtungselement (11) befindet. Durch die Adsorptivkanäle (24)
und die in den offenporösen
Festkörpern
(1) vorgesehenen Löcher
(13) kann Adsorptiv in die offenporösen Festkörper (1) strömen.
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In 4 sind
die Adsorberelemente (21) ebenfalls zu einem Adsorberelementstapel
nach Art eines Kamms angeordnet. Hier verläuft der Adsorptivkanal (24)
im "Rücken" des Kamms. Die Kämme sind
so ineinander geschoben, dass ein mäandernder Kanal für das Wärmeträgerfluid
(22) resultiert. Hierfür
werden die einzelnen Adsorberelemente parallel zueinander mit den
Schmalseiten auf den Adsorptivkanal aufgebracht, der z.B. aus einer
geeignet durchbohrten Aluminiumdoppelstegplatte bestehen kann. Um
ein Einpacken des so entstehenden "Kamms" in eine fluiddichte Folie zu erleichtern,
werden die Abstände
zwischen den Platten bevorzugt so groß gewählt, dass ein zweiter, baugleicher "Kamm" spiegelbildlich
in den ersten hinein geschoben werden kann. Die zwei derart ineinander
geschobenen Kämme
bilden dann den Kanal für
das Wärmeträgerfluid
(22). Werden die beiden Kämme so weit ineinander geschoben,
dass sie sich gegenseitig berühren, so
bleiben zwischen den Adsorberelementen nur parallele Schlitze bestehen.
In diesem Fall ist dann ein paralleles Anströmen der Adsorberelemente realisiert.
In jedem Fall werden die beiden Kämme in einer geeigneten Wanne
für das
Wärmeträgerfluid
angeordnet und in ihrer Position fixiert. Die Kanäle für das dampfförmige Adsorptiv
werden in geeigneter Weise (entsprechend dem Stand der Technik bei
Adsorptionswärmepumpen) über geeignete
Ventile mit Verdampfer bzw. Kondensator der Wärmepumpe verbunden. Dazu muss
für jede
einzelne Kammstruktur von Adsorberelementen nur an einer oder zwei Stellen
(d.h. den "Enden" des Kamms) eine
vakuumdichte Verbindung zwischen der fluiddichten Folie und einem
weiteren massiven Bauteil (z.B. einem Aluminiumprofilteil) hergestellt
werden. Ein derartiger serieller oder paralleler Aufbau ist sehr
leicht und kostengünstig
in Serienproduktion für
Wärmepumpen
und Kältemaschinen
umsetzbar.
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5a zeigt
das Aufbringen einer als fluiddichtes Element verwendeten Folie
auf offenporöse Festkörper und
einen Adsorptivkanal. Hierbei wird ein Adsorberelementstapel nach
Art eines Kamms (wie er z.B. in 4 gezeigt
wird) in eine Folienbahn (2a) eingeschlagen, die so viel
breiter ist als die Kammstruktur, dass auf beiden Seiten des Kamms genug
Platz zum Verschweißen
der überstehenden Folie
bleibt. 5b zeigt den Verlauf der Schweißnähte (3)
der als fluiddichtes Element (2) eingesetzten Folie in
einem Adsorberelementstapel nach Art eines Kamms. Die Adsorberelemente
(genauer gesagt der offenporöse
Festkörper
(1) und der Adsorptivkanal (24)) sind nach dem
Verschweißen
vollständig
von der fluiddichten Folie (2) umschlossen. An den Stellen,
an denen ein Adsorberelement auf den Sammelkanal trifft, stoßen dann
zwei Schweißnähte T-förmig aneinander,
d.h. es resultiert eine T-förmige vakuumdichte
Verbindung.
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6a und 6b zeigen
ein bzw. zwei Adsorberelemente (21), bei denen eine besonders
gute Ausnutzung des Gesamtvolumens bei sehr kurzer thermischer Weglänge erreicht
wird. Hierbei sind rillenförmigen
Vertiefungen (31) in den Adsorberelementen (21)
so angeordnet, dass die zwischen zwei Vertiefungen liegenden Erhebungen
(32) in die Vertiefungen (31) eines benachbarten
Adsorberelements (21) mit gleichartiger Oberflächenstruktur
greifen kann, so dass die zwei benachbarten Adsorberelemente nach
Art zweier Kämme
ineinander greifen und zwischen den Adsorberelementen ein gewundener,
bevorzugt auch schmaler Kanal für
das Wärmeträgerfluid
(22) frei bleibt.